曹虎麟 张文龙 吴欣 赵勇
中石化华东油气分公司采油气工程服务中心 江苏 泰州 225300
摘要：水平定向穿越作为一种管道敷设技术，本文从项目的勘察设计和施工阶段着手，阐述因喀斯特地形地貌限制导致的进出场困难、出入土点平面布置难、出土点角度大；复杂地质条件导致的导向不受控制，地层漏失甚至失返导致的塌孔、卡钻等问题的规避措施和解决办法，为此类工程的实施提供一定的参考。
关键词：喀斯特地貌；出入土角；高密度电法；泥浆漏失；堵漏；卡钻
一、勘察、设计阶段
1.测绘
测绘阶段主要测量水平定向穿越所在区域地形地貌条件、道路交通条件、地上建构物情况、浅表层地下线缆敷设等，其作用主要在于从地形地貌入手，选择水平定向穿越出入土点位置、穿越轨迹设计、管线预制区域及方向，确定管线穿越长度、是否具备穿越条件和难度大小。
2.工勘
工勘的主要目的在于勘察管线穿越轨迹所途径路由的工程地质情况，特别是云贵川等喀斯特地貌地区显得尤为重要，主要勘察其是否存在大型溶洞、暗河等工程实施的否决项，摸清地下土洞、溶洞、溶沟、溶槽、暗河、裂隙、石林等影响水平定向穿越的不良地质具体情况，勘察地下已建构造物、管道、光缆、电缆等情况，同时地下水位以及地层的稳定性亦是工勘的主要任务之一。在取得详细工勘资料后，在进行轨迹设计时以提前规避，选择最优穿越轨迹。根据不可规避不良地质情况，合理进行施工组织，提前制定相关应对措施。目前水平定向穿越主要的工勘方式为钻探和高密度电法，根据工程具体实际选用其中之一，或二者相结合。
3.穿越轨迹设计[1]
根据规范[1]要求，入土角宜为8°-12°，出土角宜为4°-12°，特别是出土角不宜过大，易在出土口导致管道曲率半径过小，形成应力集中点，损伤管道本体及防腐层。同时根据水平定向穿越机的结构特点，不同厂家的水平定向穿越机有最大入土角限制，一般16°-22°。根据规范，管道全轨迹的曲率半径不宜小于1500D，特别不能形成“狗腿”（局部曲率半径过小），同时在水平和垂直方向不宜多次改变方向，在管道回拖过程中宜形成应力集中点，损伤管线本体及防腐层。根据水平定向穿越山川、河流、铁路和公路的具体情况，各障碍物均需满足最低距离要求。在满足上述条件的情况下，根据地形地貌测绘结果，合理布置穿越轨迹，因地形地貌受限，部分地区不具备水平定向穿越的条件，部分地区穿越轨迹需进行多次调整，以满足上述各项要求。
具体轨迹设计时一般采用作图法，首先确定出入土点的位置和水平段深度，然后确定出入土角和最小曲率半径，最后连接整个轨迹[2]。
二、施工阶段
在水平定向穿越中，钻机的选型是至关重要的一步，选型过大会导致场地准备、运行费用的浪费，过小则易导致回拖失败，甚至导致卡钻事故。
1.钻导向孔
导向施工是水平定向穿越正式施工的第一道工序，同时也是最关键的工序。在施工准备阶段各项工作准备就绪的情况下，根据设计要求的入土角、事前设定的穿越轨迹进行导向施工。山区施工穿越轨迹距离地表一般较深，导向系统一般采用地磁导向系统。
相较于常规水平定向穿越，山区水平定向穿越容易出现的问题主要有泥浆漏失甚至失返和导向偏离预定轨迹，此二问题是决定山区水平定向穿越成功与否以及工程实施难度大小的关键。
为防止泥浆漏失，需严格按照工勘资料预先设定泥浆压力，并在施工过程中严格控制，以防将地层压破，对于一般地表漏失可采取水泥固化的方式进行封堵[3]，对于因地层孔洞、裂隙等破碎地质情况，将在下文中另行论述。在正常钻进过程中，应设专人定期对地表进行巡查，发现冒浆及时进行处理，以防钻进异常和污染环境。如发生泥浆漏失甚至失返，要时刻关注钻进过程中的拉力和扭矩变化，发现超过警戒值，及时进行洗孔和回抽钻杆，谨防卡钻。
如对于因地质条件复杂可能导致的导向偏离预定轨迹，主要在工勘、设计阶段合理选择轨迹进行提前预防。根据《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2015标准，钻杆折角宜符合下表。
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在导向过程中，密切关注实际导向成型情况，水平直线段3-4m测量一次，造斜段0.5-2.5m测量一次，测量参数与设计曲线参数进行对比，每四根钻杆的累计折角误差宜不超过0.80°，如工程施工过程中遇到的不可避免的导向偏离预定轨迹超允许值，应及时采取修正措施，如属实无法修正至可接受范围内，则需及时另行进行导向开孔，以免前功尽弃，造成进一步的损失。
2.扩孔
根据《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2015，最终扩孔直径应根据不同的管径、穿越长度、地质条件和钻机能力确定，同时参考导向曲线成型效果，一般情况下，最小扩孔直径与穿越管径的关系应符合下表。
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根据地质情况和上一次扩孔情况，确定分级扩孔所选用的扩孔器尺寸和扩孔次数，合理调配泥浆性能，并以保证合适的泥浆压力和流速，从而尽可能提高泥浆的携带能力。在扩孔过程中，如发现拉力、扭矩异常，应及时洗孔，待拉力和扭矩正常后方可继续进行扩孔作业。扩孔过程中尽量避免长时间停钻，出现长时间停钻时，尽量保持空洞内泥浆流动，防止悬浮颗粒下沉堆积导致抱钻、卡钻。在导向或上一级扩孔过程中出现的“狗腿”段，应采取切实可行的防憋钻、卡钻措施。扩孔结束后，确保拉力、扭矩平稳并在合理范围内，并在一定时间内保持稳定。
3.管线施工
管线的焊接、通球、试压、测径、干燥、置换、防腐补口、防腐补伤等常规施工作业要求参照《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2017）执行即可。根据《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2015要求，预制管线在回拖前须清管、通球、试压合格，防腐要求须满足《穿越管道防腐层技术规范》（SY/T7368-2017）。
4.管线回拖
管线回拖前，充分校正成型孔洞与地面管线的平面度，如因场地限制预制管段不能直线布置，应在出土点保持不少于100m的直管段，方可采取弹性敷设。回拖时应采取有效措施，使管道入土角与实际孔洞出土角在回拖过程始终一致，如现场条件受限导致出土角过大，须在出土点处一定距离内，使出土角与地面管线缓慢过渡，过渡段管线曲率半径不得小于1500D，以免损伤管线。一般采取发送沟和发送带的形式固定管线，发送沟底部和发送带顶部30cm厚度内无石块等硬物，以免划伤管线防腐层，发送沟和发送带须保证在管线回拖过程中的稳定性。条件受限地段弹性敷设处须配置符合要求的机械，确保管线始终在发送沟和发送带边界线以内。
管线回拖前需做好发送沟或发送带的强度、刚度、稳定性校验检查和管线就位检查工作，钻机、钻杆、钻具维保和调试工作。回拖钻具的连接顺序一般为钻机+钻杆+扩孔器+旋转接头+U型环+拖拉头+穿越管道，回拖前需做好各钻具的强度、刚度、连接方式、灵活性等检测工作。如采取多接一的方式，需做好管线组对、焊接、探伤、防腐等各项准备工作，待一切准备就绪后方可进行回拖作业。管线施工一般以一次整体回拖施工为佳，如现场实在不具备整体回拖条件，则应尽量减少停顿次数和单次停顿时间，单次停顿时间不宜超过4小时，停顿期间应保持泥浆的流动性并低速旋转钻杆，分段回拖时将较短段设置在前，较长段设置在后。
5.工程收尾及撤场
管线回拖完成后，需对管线与孔洞间的空隙进行二次压密注浆置换处理，如出入土点高差过大，需采取稳管措施。根据《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2015要求，管线回拖完成后还需再次单独进行测径、清管、试压。防腐方面，管线回拖完成后需检查出土端外防护层的完整性、是否存在结构性损伤等，并对穿越段外涂层电阻率进行单独测试，根据测试结果采取阴极保护等防腐保证措施。
施工设备撤场后，应对现场生产及生活垃圾进行清理，清理完成后对现场进行恢复，如水渠、道路、耕地等必须达到施工前的原貌状态，对农田的恢复达到耕种条件。
三、技术难点及应对措施
1.穿越轨迹设计难
1)地形、地貌受限
由于出入土点高差大、距离小，导致穿越轨迹无法达到曲率半径不得小于1500D的要求，或穿越障碍物深度无法达到规范要求，或出入土点角度无法满足相关设计和施工规范要求。因现场条件受限，管线预制场地长度不足，管线直线度不够。因出入土点地势陡峭，导致进场道路修建困难，或出入土点无法修建作业平台。
针对上述困难，可选择相对平缓且稳定地段作为出入土点，进场道路修建可采取盘山方式，主钻机可采用自行爬行方式进场，控制进场车辆车型，部分大型车辆采用倒车方式进行进出场。如管线预制场地无法一次性预制到位，可采取多接一的方式进行预制。如预制场地无法直线布置预制管线，可在出土点提前调整水平角度，尽量缩小出土线与预制管线之间的水平夹角，同时在出土点100m内采用直线敷设，之后可弹性敷设，在管线回拖过程中，辅以机械进行动态复位。针对出入土点高差大、距离小，可通过调整出入土点位置，在规范允许范围内，调整出入土角、管线埋深、曲率半径、倾角与仰角之间水平段的长度，通过不断试算，同时结合地质特征，最终选择最优穿越轨迹。
2)地质条件复杂
因云贵川地区多为喀斯特地貌，地下土洞、溶洞、溶沟、溶槽、暗河、裂隙、石林错综复杂，易导致导向过程中的偏导、泥浆漏失和失返、卡钻，扩孔和回拖过程中的塌方导致回拖拉力、扭矩过大甚至卡钻。
针对上述情况，根据测绘结果和预设计管线轨迹，在平面和深度两方面，分别通过高密度电法和钻孔取芯方式充分摸清地质情况，使最终轨迹设计时有较大的选择空间。在进行最终轨迹设计时，可通过水平、垂直方向及其组合的方式，尽量避让破碎、易塌、裂隙、空洞，但应尽量避免和减少“S”型轨迹。
最终轨迹设计时，需综合考虑地上、地下情况，充分论证技术和经济可行性，从而选择技术难度小、综合费用低的穿越轨迹。
2.导向无法控制
在钻遇裂隙、孤石等发育的复杂构造地层，受节理、层理等构造影响，易发生导向无法控制的现象，导向孔施工阶段表现更为明显，特别是当钻孔轴线与层面的夹角为45°时，极易发生偏导。
针对上述情况，需根据地质勘察报告，对于预先发现的的裂隙、孤石等易发生偏导地段，须通过加钻铤，放慢钻进速度[4]等方式，避免或减小偏导的发生。及时测量导向轨迹，尽早发现导向异常，轨迹异常段反复钻磨等方式进行轨迹修正，如钻磨方式无法修正，对于埋深较浅处可通过开挖方式进行轨迹修正，对于埋深较深地段可进行地质改良等，如无法修正则需重新进行导向。
3.泥浆漏失、失返以及卡钻
泥浆漏失、失返，可分为地上和地下，或两者皆而有之。漏失原因主要有天然地质条件、泥浆压力过大、钻井过程的扰动等。一旦发生漏失，泥浆在孔内无法进行有效循环，导致岩屑不易被带出孔内，形成淤积从而导致卡钻。
对于地上漏失，特别是小孔洞、短裂隙的漏失可通过水泥等固化方式进行堵漏。对于地下小容积、小通道的裂隙和空洞，可采取灌满和强行钻进的方式。如现场条件具备，可在穿越轨迹最低点处开垂直泄压孔，降低因高差导致的泥浆循环压力和缩短泥浆循环路径，增强泥浆携带能力，加快钻进速度。对于大容积、大通道的裂隙可先强行钻进，如不发生卡钻，则可通过加大泥浆排量直至回拖结束，如发生卡钻，则需进行堵漏处理[5]。
通过高密度电法成像图，了解孔洞具体情况，如条件允许，可采取井下电视等方式进一步摸清孔洞的具体情况，针对不同的孔洞情况，采取不同的堵漏配方，采取导向孔堵漏和漏失处垂直钻孔堵漏或二者结合的工艺进行堵漏，特殊复杂地质还需进行分步堵漏。如孔洞埋深浅，则可采取开挖方式进行处理。对于喀斯特地貌地区，堵漏是水平定向穿越是否成功的关键。
4.出土点角度大
因地形限制，易导致出土点角度大，特别是穿越段与出土点管线预制场地段地表夹角过大时，易导致回拖时出土点处无法满足1500D的要求，从而在回拖过程中损伤管线。
针对上述情况，可通过调整出入土点，优化管线埋深等方式，调整出土点轨迹与预制管线之间夹角，使整个管线回拖过程中满足1500D的要求。如地形实在受限导致出土点角度过大，通过对出土点进行开挖，设托管架、管墩等方式，使管线在整个回拖过程中满足1500D的要求。为保证拖管的顺利进行，需在出土点提前准备一定数量和具备一定吊装能力的吊车和挖掘机，以保证管线的顺利就位和动态调整。
四、结束语
总的来说，虽然水平定向穿越在实施前可通过钻孔、高密度电法等方式进行地质勘察，实施过程中可通过井下电视等手段进一步的视察，可一定程度摸清地下情况，但目前情况下，终究取得的数据存在不全、不精准、不及时等局限性，从而导致工程施工过程存在不可预见性。
随着各类水平定向穿越工艺、技术、设备、材料的不断研发和成功应用，必然将进一步完善水平定向穿越的设计和施工标准、规范，从而在技术和经济上不断推动水平定向穿越在喀斯特地貌地区的成熟应用。
参考文献：
[1]曾聪等.水平定向钻理论与技术[M].武汉：中国地质大学出版社，2015.
[2]舒彪，马保松，水平贺.岩石水平定向钻工程.长沙：中南大学出版社，2021，51-52.
[3文俊.浅谈管道水平定向钻施工技术.石油化工建设，200905，67-74.
[4]李德选等.地质条件对定向钻穿越的影响与应对措施.油气储运，2012,31（3），175-177.
[5]王海等.水平定向钻穿越海沟施工难点与处理方法.石油工程建设，2018（044）004.